湯哲 李銅 程洪建 賈羅云 曾亮 唐磊

摘要：針對(duì)鐵路貨車枕梁設(shè)計(jì)了一條自動(dòng)化焊裝生產(chǎn)線，依據(jù)焊接制造工藝設(shè)置不同的工位和物流措施，達(dá)到流水線作業(yè)模式。通過自動(dòng)化、數(shù)字化控制系統(tǒng)，管理和控制上料、組對(duì)、焊接、下料等一系列工藝過程，通過控制系統(tǒng)收集現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的工作狀態(tài)和焊接過程實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并通過總線方式上傳到中控系統(tǒng)，以數(shù)字化信息顯示過程狀態(tài);通過與MES系統(tǒng)接口，實(shí)現(xiàn)了對(duì)生產(chǎn)線及生產(chǎn)過程的集中監(jiān)控。

關(guān)鍵詞：枕梁;數(shù)字化;焊接生產(chǎn)線

中圖分類號(hào)：TG409 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ?文章編號(hào)：1001-2003（2021）04-0048-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.04.09

0 ? ?前言

自動(dòng)化流水線作業(yè)方式普遍適用于焊裝生產(chǎn)過程，特別是在汽車領(lǐng)域和高鐵動(dòng)車組領(lǐng)域。目前機(jī)車車體的許多部件，如枕梁、邊梁、箱型梁、弦梁等，均已實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)焊[1-4]，然而鐵路貨車的自動(dòng)化應(yīng)用還略顯落后。隨著數(shù)字化經(jīng)濟(jì)的逐漸深入發(fā)展，為順應(yīng)產(chǎn)品制造過程自動(dòng)化、產(chǎn)品質(zhì)量控制數(shù)字化和產(chǎn)品質(zhì)量可追溯等一系列要求，鐵路貨車領(lǐng)域也逐漸走上自動(dòng)化生產(chǎn)、數(shù)字化管理應(yīng)用發(fā)展的道路。

1 產(chǎn)品

枕梁是鐵路貨車車廂底架上的受力結(jié)構(gòu)件，枕梁組成是影響車體與轉(zhuǎn)向架落成質(zhì)量的最關(guān)鍵因素之一，其制造質(zhì)量直接影響產(chǎn)品的制造質(zhì)量[5]。C70車型枕梁產(chǎn)品如圖1所示。

該產(chǎn)品均由異形鋼板拼裝焊接而成，焊縫接頭連接形式主要是角焊縫，實(shí)現(xiàn)其自動(dòng)化生產(chǎn)、數(shù)字化管理方式是現(xiàn)階段產(chǎn)品生產(chǎn)主要考慮的發(fā)展方向。自動(dòng)化生產(chǎn)包含自動(dòng)上料、自動(dòng)物流、自動(dòng)焊接、自動(dòng)下料等一系列過程;產(chǎn)品型號(hào)切換數(shù)字化管理，過程數(shù)據(jù)、狀態(tài)信息數(shù)字化查看并匯總集中顯示是生產(chǎn)線的基本要求。

2 工藝路線

枕梁焊裝生產(chǎn)的工藝路線如圖2所示。

（1）上料：通過半自動(dòng)方式將物料按要求放置在約定區(qū)域，機(jī)器人通過程序控制實(shí)現(xiàn)對(duì)物料的分揀并搬運(yùn)到指定的工裝位置上。

（2）組對(duì)：將下蓋板、腹板、隔板按圖紙要求在定位工裝的約束下，通過人工焊接實(shí)現(xiàn)點(diǎn)固。

（3）焊接：點(diǎn)固后的產(chǎn)品通過機(jī)器人自動(dòng)搬運(yùn)到機(jī)器人焊接工位，雙機(jī)器人焊接系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品焊縫滿焊。

（4）補(bǔ)焊檢查：焊接完成后的產(chǎn)品通過機(jī)器人搬運(yùn)到補(bǔ)焊工位，此工位主要焊裝小附件，同時(shí)解決機(jī)器人焊接工位遺留的未焊接完成的焊縫和焊接缺陷。產(chǎn)品質(zhì)量外觀檢查在焊接完成后進(jìn)行。

（5）出料：檢查合格后的產(chǎn)品利用機(jī)器人搬運(yùn)并自動(dòng)碼垛。

3 生產(chǎn)線布局

根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、焊接過程控制要求、生產(chǎn)節(jié)拍要求及車間面積實(shí)際使用情況，整體布局設(shè)計(jì)為：腹板分料放置架工位、下蓋板分料放置架工位、枕梁組對(duì)焊接工位、機(jī)器人自動(dòng)焊接工位、頭尾座變位機(jī)補(bǔ)焊工位、產(chǎn)品成品區(qū)，具體如圖3所示。

3.1 腹板分料放置架

腹板分料放置架由腹板料框和料框定位裝置構(gòu)成，便于實(shí)現(xiàn)腹板的自動(dòng)初定位及機(jī)器人自動(dòng)抓取上料。

在搬運(yùn)機(jī)器人側(cè)配置腹板二次定位裝置，并放置于搬運(yùn)機(jī)器人的移動(dòng)滑板上，隨機(jī)器人在地軌上一起運(yùn)動(dòng)，以提高機(jī)器人的搬運(yùn)效率。由于腹板料框?qū)Ω拱逯皇浅醵ㄎ磺矣凶孕蟹謱右?，達(dá)不到腹板在組對(duì)夾具上的定位要求，故腹板二次定位裝置是為了精準(zhǔn)定位工件，以便機(jī)器人抓取到組對(duì)夾具上能夠精確定位。

3.2 下蓋板分料放置架

下蓋板分料放置架由下蓋板料框和料框定位裝置構(gòu)成，如圖5所示。便于實(shí)現(xiàn)下蓋板的自動(dòng)初定位及機(jī)器人自動(dòng)抓取上料。

3.3 雙機(jī)器人搬運(yùn)系統(tǒng)

雙機(jī)器人搬運(yùn)系統(tǒng)由兩套不同規(guī)格的搬運(yùn)機(jī)器人和行走地軌組成，一套用于零部件上料，另外一套用于半成品轉(zhuǎn)運(yùn)，均采用永磁電磁鐵抓具，各自獨(dú)立運(yùn)行，互不干涉，從而實(shí)現(xiàn)零部件的自動(dòng)上料和成品工件自動(dòng)卸料碼垛。

3.4 組對(duì)點(diǎn)固夾具結(jié)構(gòu)

組對(duì)點(diǎn)固夾具主要由下蓋板定位裝置、腹板定位裝置、手持用隔板靠模板及夾具底座組成，方案如圖6所示。下蓋板定位裝置采用下蓋板底面萬向球定位。

腹板定位裝置采用兩腹板內(nèi)側(cè)定位結(jié)構(gòu)和腹板外側(cè)分別壓緊結(jié)構(gòu)。兩腹板內(nèi)側(cè)定位結(jié)構(gòu)采用液壓驅(qū)動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)，便于工件點(diǎn)定完后部件搬運(yùn)機(jī)器人能夠順利抓取出工件。液壓驅(qū)動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)可根據(jù)不同型號(hào)工件調(diào)整前后方向的位置。軌道交通車輛底架組焊工裝是為提高底架鋼結(jié)構(gòu)焊接質(zhì)量而設(shè)計(jì)的一種專用焊接輔助裝備[6-7]。

3.5 機(jī)器人焊接工作站

機(jī)器人焊接工作站設(shè)計(jì)成雙工位形式（見圖7），每個(gè)工位由兩臺(tái)機(jī)器人組成，主從配置方式，搭載一套變位機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)主要焊縫的全覆蓋，可以獲得較好的焊接位置，從而保證焊縫成形的質(zhì)量。為了得到較好的焊接位置狀態(tài)，機(jī)器人采用一套正裝、一套吊裝方式，變位機(jī)構(gòu)采用L型變位機(jī)構(gòu)，盡可能將工件完全暴露在機(jī)器人的作業(yè)范圍之內(nèi)，為了適應(yīng)產(chǎn)品裝配尺寸偏差而防止焊接位置偏差，機(jī)器人均配置焊縫尋位傳感器和電弧跟蹤傳感器。

4 數(shù)字化控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)作為一條生產(chǎn)線運(yùn)行的中樞神經(jīng)系統(tǒng)，上料、組對(duì)、焊接、搬運(yùn)、物流、出料、碼垛等功能關(guān)系均需要通過相互關(guān)聯(lián)控制并按照產(chǎn)品工藝邏輯要求來實(shí)現(xiàn)。

通過對(duì)整條線的設(shè)計(jì)分析，關(guān)鍵工位包含組對(duì)工位、搬運(yùn)機(jī)器人系統(tǒng)、機(jī)器人焊接工作站、補(bǔ)焊工位4大功能區(qū)域?？刂葡到y(tǒng)完成整線的自動(dòng)控制、參數(shù)設(shè)置和設(shè)備監(jiān)視等功能，采用模塊化設(shè)計(jì)，各個(gè)獨(dú)立工位控制系統(tǒng)完成各自的信號(hào)檢測(cè)和設(shè)備控制，通過總線與中央控制系統(tǒng)通訊連接，某個(gè)工位故障時(shí)，其他工位仍然可以手動(dòng)控制，最大限度降低設(shè)備停機(jī)時(shí)間，提高生產(chǎn)效率;簡(jiǎn)化和縮短控制系統(tǒng)線路敷設(shè)，改善設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件下的電磁兼容性能。中央控制系統(tǒng)集成與MES系統(tǒng)接口，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線數(shù)據(jù)與生產(chǎn)管理系統(tǒng)對(duì)接。管理人員可以通過接口提取生產(chǎn)線的運(yùn)行狀況和生產(chǎn)狀況數(shù)據(jù)。

控制系統(tǒng)框圖如圖8所示，每一個(gè)模塊系統(tǒng)管理本控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)或機(jī)器人系統(tǒng)，同時(shí)該系統(tǒng)中有設(shè)備操作按鈕或按鍵，數(shù)據(jù)信息均通過PLC系統(tǒng)匯總采集，每套PLC系統(tǒng)均配置一套人機(jī)交互界面，便于自動(dòng)作業(yè)和本地查看設(shè)備狀態(tài)和運(yùn)行數(shù)據(jù)。具體包含組對(duì)工裝控制PLC系統(tǒng)、機(jī)器人搬運(yùn)控制PLC系統(tǒng)、機(jī)器人焊接控制PLC系統(tǒng)、補(bǔ)焊工裝控制PLC系統(tǒng)。

（1）組對(duì)工裝控制系統(tǒng)。

在該控制系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)響應(yīng)夾具操作按鍵的操作指令，控制夾具工裝執(zhí)行機(jī)構(gòu)的夾緊與松開動(dòng)作控制，檢測(cè)夾緊機(jī)構(gòu)的位置狀態(tài)，并對(duì)工作時(shí)間節(jié)拍計(jì)數(shù);另外與機(jī)器人搬運(yùn)系統(tǒng)信號(hào)接口，具體如下：機(jī)器人放入一個(gè)零件后需要夾緊機(jī)構(gòu)動(dòng)作夾緊零件，夾緊到位后將信號(hào)傳遞給機(jī)器人控制器，搬運(yùn)機(jī)器人得到信號(hào)后撤離并搬運(yùn)下一個(gè)零件，如此往復(fù)直到上料完成。組對(duì)完成后發(fā)送信號(hào)給搬運(yùn)機(jī)器人，通知搬運(yùn)機(jī)器人可以將組對(duì)好的工件搬運(yùn)到下一個(gè)工位。

（2）搬運(yùn)機(jī)器人控制系統(tǒng)。

該系統(tǒng)由一套PLC管理兩套搬運(yùn)機(jī)器人系統(tǒng)，由于搬運(yùn)機(jī)器人系統(tǒng)是一套完整并且獨(dú)立的成套系統(tǒng)，為了更好地結(jié)合生產(chǎn)線應(yīng)用，需要對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行有效管理。PLC控制器與機(jī)器人控制器通過現(xiàn)場(chǎng)總線方式來建立數(shù)據(jù)信號(hào)通道，PLC通過程序有序地調(diào)用、組織和管理機(jī)器人的運(yùn)行程序。搬運(yùn)機(jī)器人控制系統(tǒng)框圖如圖9所示，PLC同時(shí)管理上料機(jī)器人、下料機(jī)器人等，與組對(duì)工裝控制系統(tǒng)信號(hào)接口、焊接機(jī)器人PLC系統(tǒng)接口、補(bǔ)焊工位PLC系統(tǒng)接口和上位總控制計(jì)算機(jī)通訊接口。

（3）機(jī)器人焊接控制系統(tǒng)。

該系統(tǒng)由一套PLC管理兩套焊接機(jī)器人系統(tǒng)，焊接機(jī)器人系統(tǒng)也是一套完整且獨(dú)立的成套系統(tǒng)，為了和焊接工裝、輔助機(jī)具等有序開展工作，圖10給出了焊接機(jī)器人控制系統(tǒng)框圖，其中，PLC與機(jī)器人系統(tǒng)通過總線方式連接，PLC同時(shí)管理焊槍清理裝置、工裝氣動(dòng)夾具等，與搬運(yùn)PLC控制系統(tǒng)接口和上位控制計(jì)算機(jī)通訊接口。系統(tǒng)配置一套人機(jī)交互界面，便于本地化操作和查看設(shè)備詳細(xì)狀態(tài)。

（4）補(bǔ)焊工位控制系統(tǒng)。

該系統(tǒng)由一套PLC管理，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)工裝夾具控制、工件變位翻轉(zhuǎn)控制;與其他控制系統(tǒng)接口等。

（5）上位機(jī)系統(tǒng)。

上位機(jī)系統(tǒng)主要對(duì)生產(chǎn)線各控制模塊進(jìn)行監(jiān)管，收集各控制系統(tǒng)PLC上傳的工位信息，主要包含設(shè)備狀態(tài)信息、生產(chǎn)數(shù)據(jù)信息、焊接過程數(shù)據(jù)信息等，并通過人機(jī)界面顯示。過程關(guān)鍵數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)發(fā)送到MES系統(tǒng)中，便于高層管理人員對(duì)生產(chǎn)線的宏觀管控，同時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)后為產(chǎn)品質(zhì)量追溯備查。

生產(chǎn)線整體數(shù)據(jù)通過PLC收集后匯總上傳到上位控制計(jì)算機(jī)中，計(jì)算機(jī)建立數(shù)據(jù)庫(kù)并實(shí)時(shí)存儲(chǔ)相關(guān)數(shù)據(jù)，如：焊接電流、焊接電壓、產(chǎn)能數(shù)據(jù)、消耗數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)等信息。主系統(tǒng)人機(jī)交互界面如圖11所示，可查看每個(gè)工位的設(shè)備狀態(tài)信息、設(shè)備通訊狀態(tài)、運(yùn)行狀態(tài)、焊接過程關(guān)鍵實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息等，通過該界面可全面把控生產(chǎn)線的運(yùn)行狀態(tài)。生產(chǎn)線實(shí)物如圖12所示，生產(chǎn)節(jié)拍如表1所示。

5 結(jié)論

（1）該自動(dòng)化焊裝生產(chǎn)線已經(jīng)實(shí)現(xiàn)鐵路貨車C70車型的枕梁數(shù)字化生產(chǎn)，實(shí)際產(chǎn)量達(dá)到48件/班。

（2）焊接裝配生產(chǎn)過程基本實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化運(yùn)行，過程數(shù)據(jù)數(shù)字化顯示，相關(guān)信息上傳至MES系統(tǒng)。

（3）系統(tǒng)的應(yīng)用滿足產(chǎn)品規(guī)格適應(yīng)性要求，達(dá)到了數(shù)字化焊裝生產(chǎn)線的相關(guān)要求。

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收稿日期：2021-01-14

作者簡(jiǎn)介：湯 哲（1996—），男，碩士，主要從事鐵路車輛監(jiān)測(cè)與信息化融合的研究。E-mail：tzworknmg@163.com。